浅谈太阳能光热发电系统技术及应用

【摘要】进入21世纪以后，全球对太阳能光热发电系统技术的研究越来越深入，应用也更加广泛。本文介绍了太阳能光热发系统技术，分析了几种太阳能光热发电系统的应用现状，最后，对太阳能光热发电系统技术的发展趋势进行了预测。

【关键词】太阳能；光热发电系统；技术；应用

中图分类号：TK511文献标识码： A

前言

目前，世界各国开始慢慢重视太阳能光热发电系统技术的应用，但是，技术水平还有待于提高，太阳能的利用效能也有待于提高。所以，研究太阳能光热发电系统技术还非常有必要。

1太阳能光热发电系统技术

1.1太阳能发电系统分类

目前，较为成熟的太阳能发电技术是太阳能光伏发电和太阳能光热发电。太阳能光热发电技术又分为塔式太阳能光热发电、槽式太阳能光热发电和碟式太阳能光热发电。目前槽式和塔式太阳能光热发电站实现了商业化示范运行，而碟式发电系统仍处于示范阶段。

1.2槽式太阳能光热发电系统

利用槽式抛物面聚光器聚光的太阳能光热发电系统简称分散型系统。

该系统一般由聚光集热装置、蓄热装置、热机发电装置和辅助能源装置（如锅炉）等组成（图1）。槽式抛物面将太阳光聚在一条线上，在这条焦线上安装管状集热器，以吸收聚焦的太阳辐射能，常将众多的槽式聚光器串并联成聚光集热器阵列。槽式聚光器对太阳辐射进行一维跟踪。

图1为90年产的SEGSI电站太阳能光热发电系统示意图，该系统采用双回路设计，集热油回路和动力蒸汽回路分离，经过一系列换热器交换热量，利用导热油作为

集热介质，293℃的低温导热油从储油罐中泵入槽式太阳能集热场，被加热到391℃，然后依次通过再热器、过热器、蒸发器、预热器等，将收集到的太阳热能交换给动力回路中的蒸汽，产生10.4MPa/370℃的过热蒸汽，进入汽轮机中做功。

当太阳能供应不足时，利用辅助加热器（天然气）加热导热油，从而实现系统的稳定、连续运行。由于槽式聚光器的几何聚光比低及集热温度不高，使得抛物槽式太阳能光热发电系统中动力子系统的热转功效率偏低，通常在35%左右。因此，单纯的抛物槽式太阳能光热发电系统在进一步提高热效率、降低发电成本方面的难度较大。

1.3塔式太阳能光热发电系统

塔式太阳能光热发电系统也称为集中式太阳能光热发电，利用定日镜将太阳光聚焦在中心吸热塔的吸热器上，聚焦的辐射能转变成热能，然后传递给热力循环的工质，再驱动汽轮机做功发电。塔式太阳能光热发电系统（图2）主要分熔盐系统、空气系统和水/蒸汽系统。无论采用哪种工质，系统的蓄热至关重要。由于太阳能的间隙性，必须由蓄热器提供足够的热能来补充乌云遮挡及夜晚时太阳能的不足，否则发电系统将无法正常工作。

（1）塔式水/蒸汽系统。水/蒸汽系统以水为传热介质。

在这类系统中，过冷水经泵增压后被送到塔顶吸热器，在吸热器中蒸发并过热后被送至地面，驱动汽轮机做功发电。

图2为美国SolarOne试验电站示意图。SolarOne的吸热器是一个外圆柱式吸热器，由24块管板组成，每块管板有70根吸热管。整个吸热器实际上就是一个将水直接加热到过热蒸汽的“太阳能锅炉”。吸热器出口的蒸汽参数为516℃、10.1MPa，直接用于驱动汽轮机。

过热蒸汽也可以送入一个“油-沙石”蓄热系统进行能量的存储。尽管SolarOne电站成功地证明了塔式发电技术的可行性，但蓄热系统不能提供足够的蒸汽用于汽轮机发电。电站最主要的运行模式是将太阳能接收器和汽轮机耦合起来，蓄热系统设置为旁路，系统所产生的多余蒸汽进入蓄热系统实现能量存储，蓄热系统只产生辅助蒸汽，用于系统的启停和离线运行时保温。

（2）塔式熔盐系统。熔盐吸热、传热系统（图3）一般以熔融硝酸盐为工作介质，系统低温侧一般为290℃，高温侧为565℃。低温熔盐通过熔盐泵从低温熔盐储罐被送至塔顶的熔盐吸热器，吸热器在平均热流密度约430kW/m2的聚焦辐射照射下将热量传递给流经吸热器的熔盐。熔盐吸热后温度升高至约565℃，再通过管道送至位于地面的高温熔盐罐。

来自高温熔盐罐的熔盐被输送至蒸汽发生器，产生高温过热蒸汽，推动汽轮机做功发电。以熔盐为吸热、传热介质，主要有以下几个优点：①除克服流动阻力外，系统无压运行，安全性提高；②传热工质在整个吸热、传热循环中无相变，且熔盐热容大，吸热器可承受较高的热流密度，从而使吸热器可做得更紧凑，减少制造成本，降低热损；③熔盐本身是很好的蓄热材料，系统传热、蓄热可共用同一工质，使系统极大的简化。但是，熔盐介质也有其缺点：①熔盐的高温分解和腐蚀问题，相关材料必须耐高温和耐腐蚀，使系统成本增加、可靠性降低；②熔盐的低温凝固问题，在夜间停机时高、低温熔盐储罐必须保温，以防止熔盐凝固，清晨开机时也必须对全部管道进行预热，这都将增加系统的伴生电耗。图3为SolarTwo塔式太阳能发电系统示意图，该电站是目前世界上最大的塔式太阳能热电站，装机容量达到10MW。该系统由平面镜、跟踪机构、支架等组成定日镜阵列，可由微机控制实现最佳聚焦，始终对准太阳，捕获并聚集太阳辐射能到高塔顶端的外露式吸热器。

利用硝酸盐作为蓄热介质，290℃的液态低温熔盐从冷熔盐罐中泵入塔式太阳能吸热器，被加热到565℃，然后存回热熔盐罐。热熔盐通过泵送到蒸汽发生器，产生的过热蒸汽进入汽轮机做功发电。熔盐储罐同时作为蓄热系统，满足动力系统的启停和机组在日照不足时的用汽需求。SolarTwo的试验研究证实了熔盐技术的可行性，进一步降低了技术和经济风险，促进了塔式光热发电技术的商业化。

2全球太阳能光热发电系统系统技术应用现状

2.1槽式太阳能光热发电现状

表1列出了当今世界主要槽式太阳能光热发电站的基本参数。

2.2塔式太阳能光热发电现状

目前，全世界已建成10余个塔式太阳能光热发电试验示范电站。主要的塔式太阳能光热发电站的参数见表2。

2008年底建成20MW（PS20）塔式太阳能热电站，PS20电站塔高160m，占地约90万/m2，采用1255片定日镜，每片120m2。

随着技术的进步，塔式电站的年平均发电率已达13.7%，建造费用降低到4000美元/kWe。塔式电站的单位投资成本和发电成本随着容量的增加而降低。

因此，大规模太阳能光热发电技术是今后太阳能光热发电走向实用化的必由之路。

2.3中东地区太阳能光热发电现状

基于中东地区丰富的太阳能资源，他们把太阳能发电作为替代油气发电的一大方向，当前，阿联酋和沙特正引领中东地区的光热发电产业一路前行。

阿拉伯联合酋长国包括阿布扎比酋长国、迪拜酋长国、沙迦酋长国、哈伊马角酋长国、阿治曼酋长国、富查伊拉酋长国、乌姆盖万酋长国七个酋长国。阿布扎比是阿联酋首都、第一大城市。在这里，阿联酋第一座光热电站即将并网发电。

阿布扎比酋长国于2006年成立了Masdar电力公司，这是阿布扎比政府控制的穆巴达拉发展公司的全资子公司，Masdar电力投资多个可再生能源项目，其中包括100MW的Shams1槽式光热电站，规划将于2012年年底完工，当前正在进行最后阶段的调试，预计于2013年初由官方宣布正式并网。